新工科背景下科教融合培养创新型人才的探索与实践*——以华北电力大学科技学院自动化专业人才培养为例

李冰 张妍 贾俊菊

（1.华北电力大学科技学院；2.华北电力大学自动化系）

以人工智能等新技术为代表的新一轮科技革命和产业变革正在改变国际产业格局，为了应对新工业革命带来的挑战，我国在2015 年部署实施了“中国制造2025”战略计划，并明确提出要发展新工科。2017 年2月的“复旦共识”明确了新工科建设与发展的路径选择；2017 年4 月的“天大行动”探讨了我国新工科发展的目标和工科发展新范式；2017 年6 月的“北京指南”提出了新工科建设的指导意见。新工科教育“三部曲”奠定了新工科教育的基本格局。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》指出，高等教育要“牢固确立人才培养在高校工作中的中心地位，支持学生参与科学研究，强化实践教学环节，促进科研与教学互动、与创新人才培养相结合，着力提高学生服务国家服务人民的社会责任感、勇于探索的创新精神和善于解决问题的实践能力”。国务院《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》中指出：“加快推进人才培养模式改革，推进科教协同育人，完善高水平科研支撑拔尖创新人才培养机制。”《纲要》和《方案》都明确提出了将科研与教学相结合，充分发挥科学研究在高等教育育人中的重要功能。教师通过将科研项目与教学内容相结合，将科学研究服务于教学，将学科和专业发展前沿贯穿至日常教学，将企业在发展过程遇到的科技难题及解决方案融入教学内容中，激发学生思考问题、解决问题的兴趣，提高学生的创新能力。

新工科建设背景下创新人才的培养对应用型创新人才培养提出了新的挑战，笔者所在的华北电力大学科技学院是一所具有电力行业特色的应用型本科院校，学院毕业生主要在电力行业及与电力行业紧密相关的企业就业。从电力行业及相关企业对人才的需求来看，对具有创新思维和创新能力的应用型毕业生尤为看重。按照我院培养“实基础、重实践、强能力、创新创业型人才”的总体要求和“培养基础理论扎实、专业知识系统、实践能力与创新能力强、综合素质高的复合应用创新型人才”的培养目标，笔者所在的自动化专业在科教融合协同育人和创新人才培养中也进行了相应的探索和实践，不断探索具有较强创新创业能力的人才培养模式。

一、修订人才培养方案，构建科教融合的育人机制

根据学院办学定位和电力行业对自动化专业人才需求特点，按照《自动化类教学质量国家标准》，修订并形成了2018 版人才培养方案。在人才培养方案修订过程中，先后走访了五大发电集团下属的多个电厂，向电厂的技术专工咨询电厂对自动化专业人才在专业技能、创新能力等方面的需求；向在电力行业就业的毕业生征询学校在人才培养方面尚存在的薄弱环节；邀请相关企业专家对自动化人才培养方案提出建议。在2018 版人才培养方案修订过程中，一方面根据“科教融合协同育人”的人才培养理念，加大实践教学环节比重，着重培养学生的创新实践能力；另一方面通过增设创新创业教育课程，着重培养学生的创新意识和创新精神。

在人才培养方案中，确定了自动化专业人才专业培养的基本要求：具备较好的工程知识、具备一定的问题分析能力、具有一定的科学研究能力、能够基于工程相关背景知识进行合理分析，能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决自动化领域的复杂工程问题。确定了以自动控制原理、微机原理与嵌入式系统、检测技术与仪表、过程控制系统为核心的专业核心课程，基于专业核心课程以及相关课程的关联程度，构建了以不同核心课程为中心的“专业课程群”，并根据课程群设置综合实践环节，如控制系统综合实践、微机原理与嵌入式系统综合实践等。每个实践环节的实践周数3 周，采用“类工程项目管理方法”管理，以工程项目的管理方法，对需求分析、整体项目设计、项目分解、硬件软件设计、开发、调试、资料管理、文档建立等一系列环节按工程项目训练。学生通过对一个小型项目的实现过程，能够了解项目研究的流程，有助于促进科教融合理念在理论教学和实践教学过程中的探索，满足了对学生专业能力培养的要求，实现了培养目标。

（一）科研项目融入课程教学，激发学生学习兴趣

担任专业课的教师大部分都参与或承担科研项目，所承担的科研项目既有国家自然科学基金、河北省自然科学基金、北京市自然科学基金等纵向项目，也有与国家电网、各大发电集团发电厂签订的解决电厂运行过程中实际问题的科技服务项目，每位老师在授课过程中将自己的优秀科研成果和学科前沿、企业所遇到的实际问题及解决方案进行梳理后，融入课堂教学。一方面可以对教学内容进行更新和补充，拓展学生的知识面，开阔学生的专业视野，另一方面通过对电力企业实际问题进行分析，使学生了解所学专业内容在实际生产中的应用，培养学生分析问题和解决问题的能力。教师将科研过程中的方法、思路以及所采用的新技术、新算法和新模型融入课堂教学，培养学生的科研思维和运用新技术、新方法的能力，提高学生从不同角度思考问题、提出解决问题方法的能力，提升学生的科研自信、保持对新事物、新方法的好奇心。教师将科研项目中与所授课程紧密相关的内容进行拆分后，设计成课程内容实验和课程设计题目，将其转化为课程教学内容，丰富和优化了课程实验和实践环节，实现对学生创新实践能力的培养。

目前我院自动化专业开设有“火电厂自动化专题”“单片机与嵌入式系统”“传感器原理”“机器人工程”等与电厂运行、电网巡检及实际工程应用相关的专业课程，如“火电厂自动化专题”课程由8 位资深教师授课，其中3 位教师为博士生导师，其余5 位为硕士生导师，各位教师在授课过程中结合自己的科研项目和科研成果，通过实际的企业案例来介绍目前火力发电领域发展现状和发展趋势，在丰富教学内容的同时也提高了学生的听课兴趣和听课效率。在笔者担任的“单片机与嵌入式系统”课程教学过程中，通过与学生分享笔者在不同科研项目中承担的科研任务和取得的成果图片及视频，向学生介绍与嵌入式系统相关的技术部分在解决实际问题时的具体应用，将该课程的教学过程与在实际生产中“到底有什么用”相结合，提升了学生的学习效果。2019 年，自动化专业5 名同学参加了蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛（单片机设计与开发），其中2名同学获得省级一等奖。

（二）成立兴趣小组，基于科教融合打造第二课堂

学生根据不同教师的研究方向和个人兴趣，组成兴趣学习小组，并由不同指导教师根据项目内容对小组同学进行指导，通过将课堂所学理论知识与科研项目实际应用结合，真正实现科教融合，激发学生参与科研的热情。指导教师将正在进行和预研的项目、课题拆分成若干子课题，每个小组根据各自兴趣针对某一子课题参与研究工作，指导教师根据子课题内容布置研究内容，并指导学生需要采用的研究方法和策略，小组同学根据教师指导逐步实现；课题组进行例会时，邀请兴趣小组同学参加并汇报小组研究进展情况和学习心得，对兴趣小组的工作进行评价、指导和鼓励，培养学生的科研兴趣；指导学生参与各种与专业相关的竞赛（如中国机器人大赛暨国际公开赛、蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛、“西门子杯”中国智能制造挑战赛等）、进行实用新型/发明专利申请、撰写发表学术论文等，通过多种形式的科研成果提升学生的科研自信。

以教师团队在2019 年承担的某公司“自动焊接控制系统”项目为例，在项目研究过程中，主要涉及系统硬件设计、图像处理、自动焊接控制三方面的内容，因此成立了三个兴趣小组，每个兴趣小组3-5 人，工作主要包括：硬件设计、图像处理算法、PLC 自动控制系统设计，根据成员兴趣自由结组并选择一个方向开展研究工作。通过定期指导、汇报、实验等，每个小组对所研究内容进行文献检索、国内外技术现状分析、确定应采取的技术策略、对实验过程中出现的问题及原因进行分析等，通过大量的实验，对研究方法和研究方案不断进行改进，在项目结题时都取得了一定的进展和结果。并在此基础上进行了专利申请、学术论文投稿和科技竞赛等，其中PLC 自动控制系统设计小组参加了2019 年“西门子杯”中国智能制造挑战赛，并取得了河北省三等奖的优异成绩。

（三）进行课程教学方法改革，强化科教融合育人效果

为了进一步加强科教融合在专业课程教学过程中的运用，提高教学质量，近年来各专业教师在课堂教学过程中不断进行改革，将优质的科研资源转化为教学资源，针对不同课程提出了不同的教学改革方案。如在“单片机与嵌入式系统”课程中提出了“项目化教学改革方案”，以模拟电厂“汽包水位控制”项目为载体，以不同控制任务为驱动，将理论学习与实践操作相结合，使学生在项目任务进行过程中逐渐掌握该课程的理论知识和技术技能。同时在项目化教学过程中，参照项目工程管理方法，使学生在学习过程中同时得到工程锻炼。在项目化教学改革过程中，还根据不同科研项目设计了相关的工程任务，将科研过程与教学过程融合，丰富课程教学资源，提高学生的创新能力。“自动控制原理”和“计算机控制与系统”课程理论性较强，理论推导和公式较多，学生学习效果较差，因此将MATLAB 仿真系统引入到教学中，教师在教学过程中，通过设计与实际项目应用相结合的教学内容、实验内容以及课程设计内容，将项目应用中的理论问题通过仿真系统图像进行展示，激发了学生的学习兴趣，提高了课程的教学质量。

二、基于科教融合理念的考核评价机制

科教融合模式既要注重对学生基础理论知识的传授，又要注重学生“分析问题、解决问题”能力和创新能力的培养，因此在对学生进行考核应改变传统考核方式中“一考定结果”的考核方式。

科教融合模式下，对学生的考核包括学生基础理论知识考核、学生学习过程考核、学生能力考核等多个方面，通过对多个方面的成绩进行综合后作为学生考核成绩。对于学生基础理论知识考核，主要采用闭卷、开卷、大作业等形式进行；过程考核主要通过学生出勤、提交作业、课堂参与互动表现等形式实现；能力考核主要通过课堂讨论时学生能否提出问题、提出解决问题的思路和方法、从不同角度对问题进行解读等以及在兴趣小组中的贡献等进行；同时对学生在进行课程实验、课程设计等环节中提出的具有创新性的思路和方法也作为能力考核的重要参考，激发学生参与科研活动的兴趣和信心。

总之，新工科背景下，将科研项目和科研过程融入人才培养过程，有利于提高学生分析问题、解决问题能力的培养，有利于提高学生创新创业能力的培养，同时也有利于人才培养的质量。通过在我院自动化专业创新人才培养中的探索与实践，深入贯彻科教融合理念，优化设置人才培养方案，构建以核心课程为中心的课程群体系，将科研项目融入课堂教学，进行项目化驱动的课程教学改革，建立与科教融合相适应的考核机制等，将科研与教学紧密结合，努力培养更多具有较强科研能力和创新能力的应用型人才。